敏感复杂区域城市隧道进洞技术研究

吴梦军，肖 博，吴胜忠

( 1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2. 国家山区公路工程技术研究中心， 重庆 400067； 3. 公路隧道建设技术国家工程实验室， 重庆 400067)

敏感复杂区域城市隧道进洞技术研究

吴梦军1，肖 博2，吴胜忠3

( 1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2. 国家山区公路工程技术研究中心， 重庆 400067； 3. 公路隧道建设技术国家工程实验室， 重庆 400067)

城市隧道建设过程中，由于地形、地质条件复杂，周边环境敏感因素多，洞口存在滑坡、浅埋、斜交、偏压等不良情况，且对沉降、变形控制要求严格，导致隧道进洞困难。以重庆曾家岩嘉陵江大桥城市阳台进洞段为依托，提出具有抗滑功能且可兼做隧道结构和城市观光平台结构的刚性框架结构方案和“桩板墙+轻质混凝土反压回填+明洞暗作与既有挡墙斜交进洞”方案。通过数值模拟，对隧道进洞施工过程中结构的应力、变形等进行分析，结果表明：该“斜交进洞”方案结构受力合理，能保证边仰坡稳定和结构安全，地表变形控制较好。

城市隧道；框架；环境敏感；进洞

随着我国经济的持续发展、城市化水平的不断提升及资源节约型发展理念的深入，城市隧道等地下工程的建设越来越多。预计到2020年，我国将成为城市地下隧道开发利用的大国和强国。在城市特别是山地城市隧道建设的过程中，由于地形、地质条件复杂，周边环境敏感因素多，洞口往往存在滑坡、浅埋、斜交、偏压等不良情况，且城市隧道施工对沉降、变形控制要求严格，故导致隧道进洞困难。为此，国内部分专家对城市环境敏感且地质、地形复杂区域的隧道进洞技术进行了一定研究。徐强[1]对大断面小净距隧道提出了先加固稳定边仰坡、后施作超前大管棚，隧道断面化大为小、从上向下分块施工，对中间岩柱打设预应力对拉锚杆等方案。周青[2]采用钢管桩加固拱底的方法，成功解决了淤泥与粉质粘土段隧道进洞施工的安全问题。石平[3]采取对隧道重叠段的土体注浆加固、同步注浆加固、隧道内设支撑加强等措施，确保了重叠隧道进洞施工安全。周晓冬[4]采用长大管棚预支护和微桩支撑方案，解决了泥灰岩软弱围岩地区进洞难题。杨超等[5]对浅埋偏压隧道提出了内出进洞方式。此外，对于边坡陡峭且存在滑坡的洞口，国内外学者[6-8]对设置抗滑桩的治理方案进行了一些研究。同时，Zeng与Liang[9-10]采用基于 Mohr- Coulomb 破坏准则与非关联流动法则的理想弹塑性本构模型，在桩与土间设置界面单元，探讨了钻孔桩加固边坡中因土拱效应引起的荷载传递特征。张建华等[11]通过对抗滑桩结构的力学分析，建立了抗滑桩结构的有限差分模型。

当洞口同时存在陡峭、滑坡、浅埋、斜交等不利因素，且隧道周边环境敏感点多，洞顶为城市主干道时，如何解决隧道进洞问题，国内经验不多。本文以重庆曾家岩嘉陵江大桥城市阳台进洞段为依托，提出了“设置框架式抗滑桩+反压回填”的斜交进洞方案，建立了隧道与框架式抗滑桩计算模型，分析了框架式抗滑桩、隧道内力和位移的变化规律，有效解决了曾家岩嘉陵江大桥工程南侧主线隧道的进洞难题。

1 工程概况

重庆曾家岩嘉陵江大桥工程起于渝北区兴盛大道，在天江鼎城附近进洞，线路由北向南，在龙湖春森彼岸出洞。跨越嘉陵江后，在名流公馆城市阳台附近进洞，并先后下穿曾家岩、中山四路、上清寺、两路口等地区，向南出洞接长滨路互通式立交，并与菜园坝长江大桥及长滨路相接。该项目主线道路全长约5.51 km，其中曾家岩嘉陵江大桥长0.54 km，路轨共建，路上轨下，道路层为双向6车道。主线隧道总长4.69 km。嘉陵江以北主线长2.90 km，其中北侧主线隧道长2.78 km，双洞隧道布置形式为“洞口分岔+洞身分离”。嘉陵江以南主线长2.07 km，其中南侧主线隧道长1.91 km，双洞隧道布置形式为“洞口分岔+洞身小净距”。全线道路等级为城市主干道，主线设计速度50 km/h，隧道主要采用双向4车道。此外，全线共设置5条连接线，分别为北城天街接线、黄观路A连接线、黄观路B连接线、嘉滨路A连接线和人民路接线，接线主要采用隧道形式。

南侧主线隧道分为左右线，左线进洞口里程桩号为ZK3+583.658，右线进洞口里程桩号为YK3+575。左线洞口穿越名流公馆挡墙，右线洞口穿越名流公馆挡墙和城市阳台。洞口开挖后仰坡高8.8～15.4 m，其主要由素填土和强风化岩体组成。由于仰坡岩土界面较陡，且穿越现有名流公馆挡墙及城市阳台，故施工开挖后挡墙失去作用，可能导致土质部分沿着岩土界面或填土内部滑移破坏。边坡高约13.6～15.3 m，其主要由素填土和强风化岩体组成，施工后可能发生圆弧滑动或掉块垮塌，进而威胁施工人员、设备及边坡上方道路、构筑物的安全。洞口段围岩以强风化砂岩和素填土为主，局部存在少量中风化，岩体较破碎-较完整，层面结合很差，受邻近构筑物等环境条件影响较大，围岩级别为Ⅴ级。

隧道周边敏感点主要包括：1) 现有建筑名流公馆和城市阳台；2) 拱顶的城市道路中山四路；3) 现有挡墙；4) 重点文物保护单位戴笠公馆。

2 进洞方案

2.1 设计方案

根据洞口周边实际建筑物情况和地形地质条件，以“确保安全、降低影响”为原则，南侧主线隧道左右洞错开进洞，如图1所示。右线隧道设计起点桩号为YK3+576，其中YK3+576～YK3+608段结构已进入名流公馆建筑范围内，需拆除部分建筑。为减少隧道进洞对中山四路的影响，进洞前，先沿隧道开挖边线外分别施作2排抗滑桩，并设置纵向联系梁和横向联系梁，共同组成刚性框架整体结构。该结构具有桩-梁-土相互协同变形的受力特性，且可兼作右洞隧道结构和城市观光平台结构，如图2所示。暗挖隧道洞口桩号为YK3+608，进洞时，先对既有挡墙采用锚杆框格梁加固，再对左侧边坡采用锚杆喷射混凝土加固，然后施作钢筋混凝土护拱和超前大管棚，最后采用“轻质混凝土反压回填+明洞暗作斜交进洞”，如图3所示。

左线隧道洞口桩号为ZK3+579，进洞时，先对该段既有挡墙采用锚杆框格梁加固，再通过右洞设置横向大管棚，以保证洞顶边坡的稳定和控制沉降，然后施作钢筋混凝土护拱和超前大管棚，最后采用“轻质混凝土反压回填+明洞暗作斜交进洞”，如图4所示。

2.2 施工方案

施工总体上以“先撑后挖、先暗后明、由内向外”为原则进行，主要施工步序如下：

1) 拆除城市阳台部分建筑，对保留建筑进行保护、围挡，加固左线隧道保留挡墙。

2) 跳桩施工右线隧道右侧抗滑桩(柱)。

图1 隧道洞口平面示意

图2 右线隧道框架段剖面示意(YK3+576)

3) 跳桩施工右线隧道左侧抗滑桩(柱)，每施作1根即与右侧桩柱形成刚架。

4) 施作隧道左右线洞口超前大管棚及左线隧道横向管棚、护拱，并反压回填。

5) 由洞身向洞口由内向外机械开挖施工暗洞，及时施作2次衬砌。

6) 清除右线框架结构内土体，浇筑框架底板。

施工过程中，须采用机械开挖，禁止爆破。同时，须做好洞内和地表、周边建筑的监测工作，一旦发现异常，应立即停工并采取相应应急措施。

图3 右线隧道暗挖洞口剖面示意(YK3+608)

图4 左线隧道暗挖洞口剖面示意

3 计算分析

根据地勘岩体参数和地质剖面图，采用平面模型对隧道施工过程进行有限元数值模拟，分析剖面内的内力和变形。主要内容包括：左线隧道开挖过程中，右线框架结构内力、变形的发展规律，隧道周边围岩变形情况和隧道衬砌内力分布规律，以验算设计进洞方案的安全性和可靠性。

3.1 计算参数与荷载

3.1.1 计算参数选取

1) 围岩体参数。

由于岩体组成复杂，为简化考虑，因此模拟时仅考虑填土、中风化砂岩、中风化黄色砂岩、中风化泥岩等4种岩土体材料。根据地勘报告，模拟时采用了一些围岩基本物理参数，如表1所示。

2) 支护结构参数。

数值模拟中采用的主要支护结构和相应参数取值如表2所示。由于平面问题较难考虑锚杆的加固作用，故本文将锚杆加固等效为岩土体粘聚力提高0.5倍。

表1 岩土体力学性质参数建议

注：*为经验取值。

表2 支护结构物理力学参数

3.1.2 荷载计算

结构荷载包括路面荷载、框架结构恒载、框架板荷载以及隧道开挖引起的荷载释放。其中路面荷载取30 kPa，框架结构恒载根据结构尺寸计算，框架板荷载统一采用12 kPa，其它荷载分别计算如下。

1) 框架结构荷载。

框架结构恒载来源于梁柱板的自重，对于梁柱自重可根据梁柱的截面特性，由程序自动计算，但板自重难以直接考虑到等效截面中，因此将其作为恒载考虑。

2) 土体荷载释放。

开挖将引起土层荷载释放，为此需计算隧道前后左侧框架的荷载释放系数，以满足实际框架的受力条件。

荷载释放计算如下：将土压力等效为主动土压力进行计算，同时将框架结构上部支挡土体的主动土压力作为隧道开挖前的释放荷载，待隧道开挖后将框架背后土体破裂面以下释放荷载删除，以此来模拟开挖对框架结构的影响。经计算，主动土压力标准值计算结果为1 641.64 kN/m。荷载施加如图5所示。

图5 释放荷载施加示意

3.2 计算模型与开挖方案

3.2.1 计算模型

计算采用“地层结构法”，模型分析边界如图6所示。图6中，模型宽取110 m；高按实际地形高度确定，取60 m；框架左侧距模型外侧边界53 m，同时模型左下方存在轻轨三号线曾家岩地下通道；框架中心线距道路外侧边线24 m；隧道上方道路宽按实际取14 m。

网格划分后的模型如图7所示。图7中，框架施加荷载为活载+混凝土板恒载。

图6 计算模型边界示意

3.2.2 开挖方案

采用台阶法开挖，模拟共分4步：1) 初始地应力场生成；2) 施加道路荷载+外侧框架地表开挖+框架活载与恒载施加；3) 上台阶开挖；4) 下台阶开挖。

开挖过程中，先得到等效节点力后，再根据荷载释放系数反向施加隧道开挖面。

3.3 计算结果与分析

3.3.1 框架内力

数值计算所得框架结构内力如图8、表3所示。分析图8和表3数据可知：1) 隧道开挖后，框架结构压力基本未变，而拉力增加较大，增加了74%，但最大值远小于结构的允许抗拉力；2) 框架内侧弯矩降低明显，达25%，而外侧弯矩基本保持不变；3) 开挖后，最大剪力降低明显。总体来说，隧道开挖主要影响框架内侧最大弯矩。

图7 网格示意

图8 框架结构内力

阶段最大轴力/kN拉力压力最大弯矩/(kN·m)背侧面侧最大剪力/kN开挖前4244800462036602104开挖后7364800363036301499

3.3.2 框架变形

隧道开挖前后，框架结构的变形如图9(a)所示，其关键点的变形统计如表4所示。由表4可以看出，隧道开挖后，框架结构的位移总体呈减小趋势，减小幅度中层最大，右侧框架变形变化率小于左侧，表明左侧承受了较大的荷载。

图9 变形云图

表4 框架关键点变形统计 mm

3.3.3 隧道内力

隧道开挖后，初期支护内力如图10、表5所示。从图10和表5可以看出，轴力均为压应力，在下台阶开挖后，轴力增加最大；最大拉压弯矩集中于隧道左墙腰处；内力总体值均不太大。

图10 隧道初期支护内力

最大轴力/kN拉力压力最大弯矩/(kN·m)内侧外侧最大剪力/kN0455.617.823.858.0

3.3.4 隧道变形

隧道开挖后，围岩竖向位移如图9(b)所示，其关键点的变形统计如表6所示。由表6可以看出，各变形值总体较小，受围岩体侧压力的影响，左(内侧)拱脚发生向上位移，右(外侧)拱脚发生向下位移，表明隧道有整体向外倾斜的趋势，但幅度较小；地表沉降仅为0.68 mm，满足相关规范要求。

表6 隧道开挖后关键点变形统计 mm

4 结束语

1) 本文针对城市环境敏感且地质、地形异常复杂区域隧道洞口边仰坡稳定性差、进洞难等问题，以重庆曾家岩嘉陵江大桥城市阳台进洞段为依托，通过多方案比较，提出了具有抗滑功能且可兼做隧道结构和城市观光平台结构的刚性框架结构方案和“桩板墙+轻质混凝土反压回填+明洞暗作进洞与既有挡墙斜交进洞”的方案，为类似地形条件下隧道进出洞提供了借鉴。

2) 通过有限元数值模拟，对重庆曾家岩嘉陵江大桥南侧主线隧道进洞方案的框架结构和隧道结构施工过程中的应力、变形等指标进行了分析，结果表明：该方案结构受力合理，能保证边仰坡稳定和结构安全，地表变形控制较好；同时，该方案将抗滑桩、隧道结构、观光平台结构融为一体，具有良好的经济性。

3) 根据模拟结果，隧道开挖后，框架内侧最大弯矩降低较多，隧道有整体向外倾斜的趋势。虽外倾幅度较小，结构受力在容许范围内，但施工过程中须禁止爆破，并须采用机械开挖，且还应加强对框架、隧道结构和周边建筑的监测，严格按设计施工方案施工，确保施工安全。

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Study on Tunneling Technology in Urban Area with Sensitive Complexity

WU Mengjun1,XIAO Bo2,WU Shengzhong3

In the process of urban tunnel construction,there are landslide,shallow buried,bias and unbalanced stress in the tunnel opening due to the complicated terrain and geological conditions and the sensitive ambient factors,and it has strict requirement to settlement and deformation control,the tunneling is relatively difficult. In this paper,a rigid frame structure scheme with anti-sliding function that can be used as tunnel structure and city sightseeing platform structure,as well as a scheme of "pile-wall/lightweight backfill/hidden construction of open holes oblique with existing retaining wall tunneling",are put forward based on Chongqing Zengjiajian Jialing River Bridge's city balcony scheme. Through numerical simulation,this paper analyzes stress and deformation of structures during tunneling construction. The results show that the force on structure in the "oblique tunneling" is reasonable,it can ensure the slope stability and structural safety,good terrain deformation control.

urban tunnel; frame; environment sensitivity; tunneling

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.021

重庆市应用开发(重点)项目(csct2013yykfB30005)

2016-07-01

吴梦军(1973-)，男，湖南省涟源市人，博士，教授级高工。

1009-6477(2016)06-0093-07

U455.4

A